WO2002020963A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine und entsprechende vorrichtung - Google Patents

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WO2002020963A1
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load
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Juergen Sauler
Axel Heinstein
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the invention is based on a method for operating an internal combustion engine and a corresponding one
  • a method for operating an internal combustion engine and a corresponding device with at least one cylinder are already known, the ignition angle in the at least one being used due to the use of knock control
  • Cylinder is shifted by an adjustment angle from the speed and / or load-dependent basic ignition angle.
  • the adjustment angle depends on the frequency of knocking in the at least one cylinder and is greater the more frequently the knocking signal has occurred in the previous work cycles.
  • devices with the features of the independent claims have the advantage that the reduction in torque caused by the retardation of the ignition angle due to knocking can be reduced.
  • the reduction in torque caused by the retardation of the ignition angle due to knocking can be reduced.
  • a particularly simple measure in a gasoline direct injection internal combustion engine to pull the ignition angle early is to carry out a double injection in one work cycle of a cylinder.
  • a lean basic mixture is first formed in the respective cylinder by a first injection, and is then injected a second time.
  • the tendency to knock is reduced by the lean basic mixture, which is still present in edge zones of the mixture even after the second injection.
  • the fuel / air mixture is cooled by the fuel supplied to the combustion chamber by the second injection, which leads to a further reduction in the tendency to knock.
  • Load range it makes sense to use the knock protection mode with double injection. When switching back to another operating mode and falling below a certain load threshold value, it makes sense to select this second load threshold value such that it is below the first
  • the load threshold lies because this prevents an unstable state and a constant switching back and forth between two operating modes. Since both the first load threshold value and the second load threshold value can differ depending on the speed, it makes sense to take this speed dependency into account.
  • the knock protection with exhaust gas recirculation operating mode as an additional measure that reduces the knock tendency, it makes sense to take this only below a predefinable, third load threshold value, since the exhaust gas recirculation measure does not gain torque for higher loads.
  • Analogous to the knock protection with double injection operating mode unstable states between two operating modes should be avoided, so that advantageously the fourth load threshold, at which a switch back from the knock protection operating mode with exhaust gas recirculation to another operating mode, should be above the third load threshold value. Because both the third load threshold and the fourth load threshold are dependent it may be different from the speed, it makes sense to take this speed dependency into account in the same way as the knocking contactor operating mode with double injection.
  • Tapping i.e. an abnormal combustion process in the combustion chamber of an internal combustion engine limits the power and the efficiency and leads through the high
  • signals from the combustion chamber are recorded which are passed on to an evaluation unit also belonging to the knock detection.
  • signals can for example be acoustic signals, electromagnetic signals, electrical signals, pressure signals or
  • the evaluation unit amplifies the signals and integrates the signals in a suitable manner, so that in a microprocessor contained in the internal combustion engine an analog / digital conversion of the signals, the integrated value can be compared with a threshold value, knocking being detected when the threshold value is exceeded.
  • the evaluation unit can furthermore, for example, select a specific frequency band or select a specific time window, the frequency band or the time window being characteristic of the occurrence of knock signals.
  • the knock control is carried out by the microprocessor integrated in the internal combustion engine in such a way that an adjustment angle is added to a basic ignition angle, the sum forming the basic ignition angle.
  • the torque structure calculates a torque-based ignition angle, which represents the earliest possible ignition angle.
  • the basic ignition angle and the torque-based ignition angle are then compared with one another in the method for calculating the ignition angle, the ignition angle to be realized being the later of the two ignition angles, i.e. the ignition angle closer to the top dead center serves. If the fuel / air mixture in the combustion chamber has a strong tendency to knock, the adjustment angle will assume large values, the
  • Adjustment angle is defined as a positive value in the context of this application, so that the ignition angle is shifted strongly late, that is to say that the ignition is made closer to the top dead center at a point in time.
  • the basic ignition angle is read from a load- and / or speed-dependent map, which contains the ignition angle under standard conditions and is stored in the microprocessor of the internal combustion engine. It contains values for the basic ignition angle, which are assigned to certain ranges of engine speed and / or load. The speed is determined by sensors that are preferably attached to the crankshaft.
  • the load i.e.
  • the relative air filling of the respective cylinder is determined by the microprocessor on the basis of various operating parameters such as speed, torque requirement and on the basis of the measured values of the hot film air mass meter (HFM) and the intake manifold pressure sensor, the rate of the returned exhaust gas or the position of the throttle valve with the aid of Models determined and provided for the determination of the basic ignition angle.
  • the relative air charge is defined as the ratio of the current one
  • the ignition angle is adjusted by the knock control until knocking no longer occurs.
  • the adjustment of the ignition angle in the individual steps adds up to an adjustment angle which indicates the overall adjustment of the ignition angle in relation to the basic ignition angle. If there is no more knocking for a certain period of time, the knock control system adjusts the ignition angle to the early position, i.e. the ignition angle is at crankshaft angles that are further before top dead center. The advance angle decreases accordingly due to the early adjustment of the ignition angle.
  • a disadvantage of the conventional knock control method is that the torque that can be achieved and thus the efficiency is greatly reduced if the ignition angle is adjusted very late.
  • the method according to the invention for operating an internal combustion engine is distinguished by a new operating mode, which can be carried out both in a gasoline direct-injection internal combustion engine and in an internal combustion engine with intake manifold injection.
  • the method is carried out by a microprocessor located in the internal combustion engine. If the knock control adjustment angle is greater than one determined, predeterminable threshold value, then a knock protection operating mode is activated by the microprocessor, which means that a measure reducing the tendency to knock is carried out and the adjustment angle is changed accordingly so that the basic ignition angle is drawn early. This allows a gain in torque and thus an increase in efficiency.
  • a work cycle comprises the cycle of the 4 strokes of an engine with a four-stroke process: the intake stroke, the compression stroke, the work stroke and the exhaust stroke or the 2 strokes of an engine with two-stroke processes: the purge and compression stroke and the work stroke.
  • the change in the adjustment angle is in this
  • the fuel is injected twice into the combustion chamber in one work cycle in such a way that a homogeneous, lean basic mixture is generated by a first injection during the intake stroke or the flushing and compression stroke.
  • a rich cloud is placed in this homogeneous basic mixture around the spark plug by means of a second injection.
  • This stratification ensures reliable ignition of the fuel / air mixture in the combustion chamber, while the knocking tendency is reduced by the lean edge zones. This also reduces the tendency to knock achieved that the combustion chamber is cooled by the second injection of fuel.
  • the total amount of fuel is not increased compared to a simple injection, but the amount of fuel is divided between the two injection processes. Due to the higher torque that can be achieved due to the earlier ignition angle, a higher degree of efficiency can be achieved with the same fuel consumption, as a result of which the consumption of the internal combustion engine is reduced in relation to the output.
  • the measure reducing the knock tendency comprises increasing the rate of the recirculated exhaust gas if exhaust gas recirculation is integrated in the system of the internal combustion engine.
  • This measure can be carried out both in a gasoline direct injection internal combustion engine and in an internal combustion engine with intake manifold injection.
  • Exhaust gas recirculation includes both an internal and an external exhaust gas recirculation, whereby as internal
  • Exhaust gas recirculation is the process in which the exhaust gas is not completely expelled in the cylinder, but exhaust gas remains in the cylinder, which is part of the fuel / air mixture in the cylinder again in the next working cycle.
  • the external exhaust gas recirculation comprises the recirculation of exhaust gas from the exhaust tract into the intake manifold of the internal combustion engine.
  • the rate of the externally recirculated exhaust gas is influenced by the exhaust gas recirculation valve, which in turn is controlled by the microprocessor.
  • the rate of internally recirculated exhaust gas can be affected by the camshaft position. If the rate of the recirculated exhaust gas is increased, the oxygen content of the fuel / air mixture in the cylinder is reduced, so that the occurrence of abnormal combustion processes in the combustion chamber is made more difficult.
  • the basic ignition angle is taken from another characteristic diagram which is specific to the knock protection operating mode and which is also stored in the microprocessor.
  • the specific characteristic diagram differs depending on the measure taken to reduce the knock tendency.
  • the changed map for the knock protection operating mode takes into account the changed conditions for the ignition of the fuel / air mixture in the combustion chamber by the double injection or by the changed rate of the recirculated exhaust gas.
  • the knock control and the knock detection are carried out during the knock contactor operating mode. This means that the adjustment angle changed by the transition to knock protection mode continues to be adjusted according to the occurrence of knock events.
  • the so-called rapid advance adjustment for the ignition angle is activated during the transition to the knock protection operating mode, in which the adjustment angle is reduced either with a larger increment or with a higher frequency compared to the otherwise performed advance adjustment.
  • the adjustment angle is reduced until a knock is detected, which in turn leads to a late adjustment of the ignition angle.
  • the knock protection operating mode with double injection is only activated when the respective current load value has exceeded a specific, predeterminable first load threshold value.
  • this first load threshold value is additionally dependent on the rotational speed, the first load threshold value consisting of a Characteristic curve, which is stored in the microprocessor of the internal combustion engine, is read. In the characteristic curve of the first load threshold, values for the first load threshold are assigned to individual ranges of the speed. Another embodiment of the invention relates to leaving the knock protection operating mode with double injection. If the value falls below a second load threshold, the microprocessor of the internal combustion engine switches over to another operating mode.
  • Such operating modes can be, for example, the operating modes homogeneous, homogeneous lean or shift operation. These operating modes are well known for the gasoline direct injection internal combustion engine and are therefore not to be described again. Different operating modes differ in the fundamentally different design of important company sizes and the underlying model ideas. Important operating variables are the number of injection processes in a work cycle, the injection angle, the injection duration, the amount of fuel injected and thus the air ratio ⁇ and the ignition angle.
  • the torque model for example, is considered as the underlying model concept. It should be noted for this exemplary embodiment that the second load threshold value is below the first load threshold value, so that a hysteresis is carried out with respect to the load threshold value for the knock protection operating mode.
  • the second load threshold value can be determined in such a way that a specific load threshold value difference from the first load threshold value is subtracted.
  • This load threshold value difference can preferably be stored as a function of speed in the microprocessor of the internal combustion engine.
  • the second load threshold value can be read directly from a characteristic curve, which is speed-dependent, analogously to the first threshold value in the microprocessor of the internal combustion engine. The values of the second load threshold are to be stored in the characteristic curve in such a way that they are smaller than the values of the first load threshold.
  • the knock protection with exhaust gas recirculation mode is activated only when the current load value has fallen below a specific, predeterminable third load threshold value, since the exhaust gas recirculation measure is mainly used in low load ranges.
  • this third load threshold value is additionally dependent on the rotational speed, the third load threshold value consisting of a
  • Characteristic curve which is stored in the microprocessor of the internal combustion engine, is read.
  • values for the third load threshold are assigned to individual ranges of the speed.
  • Another embodiment of the invention relates to leaving the knocking contactor mode with exhaust gas recirculation. If a fourth load threshold value is exceeded, the microprocessor of the internal combustion engine switches over to another operating mode.
  • Such operating modes can be used, for example, in the case of direct petrol injection
  • Internal combustion engines can be the homogeneous, homogeneous lean or stratified operating modes mentioned above, and in internal combustion engines with intake manifold injection, operation without a knock protection device.
  • the fourth load threshold value is above the third load threshold value, so that a hysteresis is carried out with respect to the load threshold value for the knock contactor operating mode. This prevents the internal combustion engine from reaching an unstable state between the knock protection operating mode and another operating mode and from a constant switching back and forth between the two operating modes.
  • the fourth load threshold value can be determined such that a specific load threshold value difference from the third
  • Load threshold is subtracted.
  • This load threshold value difference can preferably be stored as a function of speed in the microprocessor of the internal combustion engine.
  • the fourth load threshold value can be read directly from a characteristic curve that is speed-dependent, analogous to the third threshold value in the microprocessor of the internal combustion engine. The values of the fourth load threshold are to be stored in the characteristic curve in such a way that they are larger than the values of the third load threshold.
  • the switching to the knock protection operating mode can take place both individually for the cylinder and for all cylinders of the internal combustion engine at the same time.
  • the adjustment angle of the respective cylinder is used as the adjustment angle.
  • the arithmetic mean of the cylinder-specific adjustment angles is preferably calculated here. This calculation is in turn performed by the microprocessor of the internal combustion engine.
  • the ignition angle can be adjusted early
  • the operating mode can be easily implemented for gasoline direct-injection internal combustion engines, since only the adjustment angle has to be changed and an additional measure that reduces the tendency of the fuel / air mixture to knock has to be applied.

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Abstract

Es wird Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei denen in mindestens einem Zylinder eine Verbrennung des in den Zylinder eingebrachten Kraftstoffs in einem Kraftsoff/Luftgemisch stattfindet. Bei Auftreten von Klopfen wird mittels einer Klopfregelung ein Basiszündwinkel in dem mindestens einen Zylinder stufenweise zu einem Verstellwinkel vom Grundzündwinkel nach Spät verstellt. Wenn der Verstellwinkel einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet, erfolgt eine Aktivierung der Betriebsart Klopfschutz, bei der eine die Klopfneigung des Kraftstoff/Luftgemischs reduzierende Zusatzmassnahme ergriffen und der Verstellwinkel verringert wird, so dass der Basiszündwinkel nach Früh verstellt wird.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und entsprechende Vorrichtung
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und einer entsprechenden
Vorrichtung nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Es ist bereits ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und eine entsprechende Vorrichtung mit mindestens einem Zylinder bekannt, wobei aufgrund der Anwendung einer Klopfregelung der Zündwinkel in dem mindestens einen
Zylinder um einen Verstellwinkel vom drehzahl- und/oder lastabhängigen Grundzündwinkel verschoben ist. Dabei ist der Verstellwinkel abhängig von der Klopfhäufigkeit in dem mindestens einen Zylinder und er ist umso größer, je häufiger das Klopfsignal in den vorangegangenen Arbeitsspielen aufgetreten ist.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass die durch die Spätverstellung des Zündwinkels aufgrund des Klopfens verursachte Reduzierung des Drehmoments verringert werden kann. Somit ist es möglich, den Zündwinkel wieder nach Früh zu verschieben und somit ein größeres Drehmoment zu erzeugen und dadurch die Leistung der Brennkraftmaschine zu erhöhen. Es lässt sich demnach ein besserer Wirkungsgrad erzielen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Verfahrens bzw. der Vorrichtung möglich. Eine besonders einfache Maßnahme bei einer benzindirekteinspritzenden Brennkraftmaschine, den Zündwinkel nach früh zu ziehen, ist die Durchführung eines Doppeleinspritzens in einem Arbeitsspiel eines Zylinders. Dabei wird durch eine erste Einspritzung zuerst ein mageres Grundgemisch im jeweiligen Zylinder gebildet, in das dann ein zweites Mal eingespritzt wird. Durch das magere Grundgemisch, das in Randzonen des Gemischs auch nach der zweiten Einspritzung noch vorhanden ist, wird die Klopfneigung verringert. Desweiteren wird durch den durch die zweite Einspritzung dem Brennraum zugeführten Kraftstoff das Kraftstoff-/Luftgemisch gekühlt, was zu einer weiteren Reduzierung der Klopfneigung führt. Besonders vorteilhaft ist weiterhin, bei der Verwendung einer Doppeleinspritzung die Menge des einzuspritzenden Kraftstoffs gegenüber einer einfachen Einspritzung nicht zu verändern, so dass bezogen auf die erreichbare Leistung weniger Kraftstoff verbraucht wird. Ebenfalls einfach realisieren läßt sich als zusätzliche Maßnahme die Veränderung der Rate des zurückgeführten Abgases, wenn in der Brennkraftmaschine eine Abgasrückführung zum Einsatz kommt. Dabei wird bei einer höheren Rate der Abgasrückführung ebenfalls die Klopfneigung durch eine Verringerung des Sauerstoffgehalts im Kraftstoff- /Luftgemisch reduziert.
Weiterhin vorteilhaft ist, als repräsentativen Verstellwinkel den Mittelwert aller zylinderindividuellen Spätverstellwinkel der Zylinder heranzuziehen, da so eine fehlerbedingte Umschaltung verhindert wird. Es ist andererseits jedoch auch vorteilhaft, als Verstellwinkel den zylinderindividuellen Spätverstellwinkel heranzuziehen und entsprechend die Aktivierung der Betriebsart Klopfschutz zylinderindividuell durchzuführen, da so sehr genau auf die zylinderindividuellen Eigenschaften reagiert werden kann.
Es ist weiterhin vorteilhaft, die Betriebsart Klopfschutz mit Doppeleinspritzung nur oberhalb einer vorgebbaren ersten Lastschwelle durchzuführen, da nur in einem bestimmten
Lastbereich die Anwendung der Betriebsart Klopfschutz mit Doppeleinspritzung sinnvoll ist. Bei einer Zurückschaltung in eine andere Betriebsart, bei Unterschreiten eines bestimmten Lastschwellwerts ist es sinnvoll, diesen zweiten Lastschwellwert so zu wählen, dass er unterhalb des ersten
Lastschwellwerts liegt, da so ein instabiler Zustand und ein dauerndes Hin- und Herschalten zwischen zwei Betriebsarten verhindert wird. Da sowohl der erste Lastschwellwert als auch der zweite Lastschwellwert abhängig von der Drehzahl unterschiedlich sein kann, ist es sinnvoll, diese Drehzahlabhängigkeit zu berücksichtigen.
Für die Betriebsart Klopfschutz mit Abgasrückführung als zusätzliche, die Klop neigung reduzierende Maßnahme ist es sinnvoll, diese nur unterhalb eines vorgebbaren, dritten Lastschwellwert zu ergreifen, da für höhere Lasten die Maßnahme Abgasrückführung keinen Momentengewinn bringt. Analog zur Betriebsart Klopfschutz mit Doppeleinspritzung sollen instabile Zustände zwischen zwei Betriebsarten vermieden werden, so dass vorteilhafterweise der vierte Lastschwellwert, bei dem eine Rückschaltung von der Betriebsart Klopfschutz mit Abgasrückführung in eine andere Betriebsart erfolgen soll, oberhalb des dritten Lastschwellwerts liegen sollte. Da sowohl der dritte Lastschwellwert als auch der vierte Lastschwellwert abhängig von der Drehzahl unterschiedlich sein kann, ist es sinnvoll, diese Drehzahlabhängigkeit analog zur Betriebsart Klopfschütz mit Doppeleinspritzung zu berücksichtigen.
Es ist weiterhin vorteilhaft, bei der Aktivierung der Betriebsart Klopfschutz dem Grundzündwinkel auch ein anderes, für diese Betriebsart spezifisches last- und/oder drehzahlabhängiges Kennfeld zugrunde zu legen, da die Verhältnisse im Brennraum und somit die Entzündbarkeit des Kraftstoff-/Luftgemischs durch die Zusatzmaßnahme stark geändert wurden.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Klopfen, d.h. ein anormaler Verbrennungsvorgang im Brennraum einer Brennkraftmaschine, begrenzt die Leistung und den Wirkungsgrad und führt durch die hohen
Flammgeschwindigkeiten zu Schädigungen des Brennraums. Um dies zu verhindern, werden in modernen Brennkraftmaschinen Systeme zur Klopferkennung und Klopfregelung integriert. Derartige Systeme sind aus der Literatur hinreichend bekannt, ihre Funktionsweise soll deshalb im Folgenden lediglich kurz zusammengefasst werden.
Mittels der zur Klopferkennung gehörenden KlopfSensoren werden Signale aus dem Brennraum erfasst, die an eine ebenfalls zur Klopferkennung gehörende Auswerteeinheit weitergegeben werden. Derartige Signale können beispielsweise akustische Signale, elektromagnetische Signale, elektrische Signale, Drucksignale oder
Temperatursignale sein, die innerhalb oder außerhalb des Brennraums durch die Klopfsensoren aufgenommen werden. Die Auswerteeinheit nimmt eine Verstärkung der Signale vor und integriert die Signale in geeigneter Weise, so dass in einem in der Brennkraftmaschine enthaltenen Mikroprozessor nach einer Analog-/Digitalwandlung der Signale der integrierte Wert mit einem Schwellwert verglichen werden kann, wobei bei Überschreitung des Schwellwerts ein Klopfen erkannt wird. In der Auswerteeinheit kann weiterhin zur Unterdrückung von Störsignalen beispielsweise eine Auswahl eines bestimmten Frequenzbandes bzw. eine Auswahl bezüglich eines bestimmten Zeitfensters erfolgen, wobei das Frequenzband bzw. das Zeitfenster charakteristisch für das Auftreten von KlopfSignalen ist.
Wurde ein Klopfen erkannt, dann wird von dem in der Brennkraftmaschine integrierten Mikroprozessor die Klopfregelung dahingehend vorgenommen, dass zu einem Grundzündwinkel ein Verstellwinkel addiert wird, wobei die Summe den Basiszündwinkel bildet. Von der Momentenstruktur wird aufgrund der Momentenanforderungen ein momentenbasierter Zündwinkel berechnet, der den frühest möglichen Zündwinkel darstellt. Der Basiszündwinkel und der momentenbasierte Zündwinkel werden in dem Verfahren zur Berechnung des Zündwinkels anschließend miteinander verglichen, wobei als zu realisierender Zündwinkel der spätere der beiden Zündwinkel, d.h. der näher am Oberen Totpunkt liegende Zündwinkel, dient. Bei einer starken Klopfneigung des Kraftstoff-/Luftgemischs im Brennraum wird der Verstellwinkel große Werte annehmen, wobei der
Verstellwinkel im Rahmen dieser Anmeldung als positiver Wert definiert wird, so dass der Zündwinkel stark nach spät verschoben wird, d.h. dass zu einem Zeitpunkt näher am oberen Totpunkt gezündet wird. Der Grundzündwinkel wird dabei aus einem last- und/oder drehzahlabhängigen Kennfeld gelesen, das Zündwinkel bei Normbedingungen enthält und im Mikroprozessor der Brennkraftmaschine gespeichert ist. Es enthält Werte für den Grundzündwinkel, die bestimmten Bereichen der Drehzahl und/oder der Last zugeordnet sind. Die Drehzahl wird dabei von Sensoren ermittelt, die vorzugsweise an der Kurbelwelle angebracht sind. Die Last, d.h. die relative Luftfüllung des jeweiligen Zylinders, wird durch den Mikroprozessor aufgrund verschiedener Betriebsparameter wie Drehzahl, Momentenanforderung sowie aufgrund der Messwerte des Heißfilm-Luftmassenmessers (HFM) und des Saugrohrdrucksensors, der Rate des rückgeführten Abgases oder der Stellung der Drosselklappe mit Hilfe von Modellen ermittelt und für die Ermittlung des Grundzündwinkels bereitgestellt. Die relative Luftfüllung ist definiert als das Verhältnis aus der aktuellen
Luftfüllung und der Luftfüllung unter Normbedingungen für den jeweiligen Zylinder. Die Verstellung des Zündwinkels durch die Klopfregelung erfolgt solange, bis kein Klopfen mehr auftritt. Die Verstellung des Zündwinkels in den einzelnen Schritten addiert sich zu einem Verstellwinkel, der die Gesamtverstellung des Zündwinkels bezogen auf den Grundzündwinkel angibt. Tritt über einen bestimmten Zeitraum kein Klopfen mehr auf, dann wird durch die Klopfregelung der Zündwinkel wieder nach früh verstellt, d.h. der Zündwinkel befindet sich bei Kurbelwellenwinkeln, die weiter vor dem oberen Totpunkt liegen. Entsprechend verkleinert sich aufgrund der Frühverstellung des Zündwinkels der Verstellwinkel. Nachteilig bei dem herkömmlichen Verfahren der Klopfregelung ist, dass bei sehr großer Spätverstellung des Zündwinkels das erreichbare Drehmoment und damit der Wirkungsgrad stark verringert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zeichnet sich demgegenüber durch eine neue Betriebsart aus, die sowohl bei einer benzindirekteinspritzenden Brennkraftmaschine als auch bei einer Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung ausgeführt werden kann. Das Verfahren wird durch einen in der Brennkraftmaschine befindlichen Mikroprozessor durchgeführt. Ist der Verstellwinkel der Klopfregelung größer als ein bestimmter, vorgebbarer Schwellwert, dann wird durch den Mikroprozessor eine Betriebsart Klopfschutz aktiviert, die beinhaltet, dass eine die Klopfneigung reduzierende Maßnahme durchgeführt wird und entsprechend der Verstellwinkel so verändert wird, dass der Basiszündwinkel nach Früh gezogen wird. Dadurch kann ein Momentengewinn und somit eine Erhöhung des Wirkungsgrads erreicht werden.
In einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden als die die Klopfneigung reduzierende Maßnahme in einer benzindirekteinspritzenden Brennkraftmaschine in einem Arbeitszyklus eines Zylinders zwei Einspritzvorgänge durchgeführt. Die Durchführung von zwei Einspritzvorgängen in einem Arbeitszyklus wird auch als Doppeleinspritzung bezeichnet. Ein Arbeitszyklus umfasst dabei den Zyklus der 4 Takte eines Motors mit Viertaktverfahren: den Ansaugtakt, den Verdichtungstakt, den Arbeitstakt und den Ausstoßtakt bzw. die 2 Takte eines Motors mit Zweitaktverfahren: den Spül- und Verdichtungstakt sowie den Arbeitstakt. Die Änderung des Verstellwinkels wird in diesem
Ausführungsbeispiel derart vorgenommen, dass der Verstellwinkel verkleinert wird, was bedeutet, dass der Basiszündwinkel nach früh verstellt wird. Das zweimalige Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum in einem Arbeitsspiel wird dabei derart durchgeführt, dass während des Ansaugtakts bzw. des Spül- und Verdichtungstakts durch eine erste Einspritzung ein homogenes, mageres Grundgemisch erzeugt wird. In dieses homogene Grundgemisch wird kurz vor der Zündung, d.h. im Kompressionstakt bzw. ebenfalls im Spül- und Verdichtungstakt, durch eine zweite Einspritzung eine fette Wolke um die Zündkerze herum platziert. Diese Schichtung gewährleistet eine sichere Entflammung des Kraftstoff-/Luftgemischs im Brennraum, während gleichzeitig durch die mageren Randzonen die Klopfneigung reduziert wird. Eine Reduzierung der Klopfneigung wird auch dadurch erreicht, dass durch die zweite Einspritzung von Kraftstoff der Brennraum gekühlt wird. Dabei wird die Kraftstoffmenge insgesamt nicht gegenüber einer einfachen Einspritzung erhöht, sondern es wird die Kraftstoffmenge auf beide Einspritzvorgänge aufgeteilt. Aufgrund des höheren erreichbaren Drehmoments durch den früheren Zündwinkel kann somit bei gleichem Kraftstoffverbrauch ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden, wodurch bezogen auf die Leistung der Verbrauch der Brennkraftmaschine reduziert wird.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die die Klopfneigung verringernde Maßnahme eine Erhöhung der Rate des rückgeführten Abgases, wenn eine Abgasrückführung in das System der Brennkraftmaschine integriert ist. Diese Maßnahme kann sowohl in einer benzindirekteinspritzenden Brennkraftmaschine als auch in einer Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung durchgeführt werden. Eine Abgasrückführung schließt dabei sowohl eine interne als auch eine externe Abgasrückführung ein, wobei als interne
Abgasrückführung der Vorgang bezeichnet wird, bei dem im Zylinder das Abgas nicht vollständig ausgestoßen wird, sondern Abgas im Zylinder verbleibt, das im nächsten Arbeitszyklus wieder Bestandteil des Kraftstoff- /Luftgemischs im Zylinder ist. Die externe Abgasrückführung umfasst die Rückführung von Abgas aus dem Abgastrakt in das Saugrohr der Brennkraftmaschine. Die Rate des extern rückgeführten Abgases wird dabei über das Abgasrückführventil beeinflusst, welches wiederum durch den Mikroprozessor gesteuert wird. Die Rate des intern rückgeführten Abgases kann durch die Nockenwellenstellung beeinflusst werden. Bei einer Erhöhung der Rate des rückgeführten Abgases wird der Sauerstoffgehalt des im Zylinder befindlichen Kraftstoff-/Luftgemischs verringert, so dass die Entstehung anormaler Verbrennungsvorgänge im Brennraum erschwert wird.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Grundzündwinkel einem anderen, für die Betriebsart Klopfschutz spezifischen Kennfeld, das ebenfalls im Mikroprozessor gespeichert ist, entnommen. Dabei ist das spezifische Kennfeld je nach ergriffener, die Klopfneigung reduzierender Maßnahme, unterschiedlich. Mit dem veränderten Kennfeld für die Betriebsart Klopfschutz wird den veränderten Bedingungen für die Entzündung des Kraftstoff- /Luftgemischs im Brennraum durch die Doppeleinspritzung oder durch die veränderte Rate des rückgeführten Abgases Rechnung getragen. Während der Betriebsart Klopfschütz wird in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel weiterhin die Klopfregelung und die Klopferkennung durchgeführt. Das bedeutet, dass der durch den Übergang in die Betriebsart Klopfschutz veränderte Verstellwinkel weiterhin entsprechend dem Auftreten von Klopfereignissen angepasst wird. Dabei wird in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel beim Übergang in die Betriebsart Klopfschutz die sogenannte schnelle Frühverstellung für den Zündwinkel aktiviert, bei der der Verstellwinkel entweder mit größerer Schrittweite oder mit einer höheren Frequenz gegenüber der sonst durchgeführten Frühverstellung verkleinert wird. Der Verstellwinkel wird dabei solange verkleinert, bis ein Klopfen erkannt wird, was wiederum zu einer Spätverstellung des Zündwinkels führt.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Betriebsart Klopfschutz mit Doppeleinspritzung erst dann aktiviert, wenn der jeweils aktuelle Lastwert einen bestimmten, vorgebbaren ersten Lastschwellwert überschritten hat. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dabei dieser erste Lastschwellwert zusätzlich abhängig von der Drehzahl, wobei der erste Lastschwellwert aus einer Kennlinie, die in dem Mikroprozessor der Brennkraftmaschine gespeichert ist, gelesen wird. In der Kennlinie des ersten Lastschwellwerts sind dabei Werte für den ersten Lastschwellwert einzelnen Bereichen der Drehzahl zugeordnet. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft das Verlassen der Betriebsart Klopfschutz mit Doppeleinspritzung. Wird ein zweiter Lastschwellwert unterschritten, dann nimmt der Mikroprozessor der Brennkraftmaschine eine Umschaltung in eine andere Betriebsart vor. Derartige Betriebsarten können beispielsweise die Betriebsarten Homogen, Homogen-Mager oder Schichtbetrieb sein. Diese Betriebsarten sind für die benzindirekteinspritzende Brennkraftmaschine hinreichend bekannt und sollen deswegen nicht nochmals beschrieben werden. Verschiedene Betriebsarten unterscheiden sich durch eine grundsätzlich andere Gestaltung wichtiger Betriebsgrößen und zugrunde liegender Modellvorstellungen. Wichtige Betriebsgrößen sind hierbei die Anzahl der Einspritzvorgänge in einem Arbeitszyklus, der Einspritzwinkel, die Einspritzdauer, die Menge des eingespritzten Kraftstoffs und damit das Luftverhältnis λ sowie der Zündwinkel. Als zugrunde liegende Modellvorstellungen wird beispielsweise das Momentenmodell betrachtet. Zu beachten ist für dieses Ausführungsbeispiel, dass der zweite Lastschwellwert unterhalb des ersten Lastschwellwerts liegt, so dass bezüglich des Lastschwellwerts für die Betriebsart Klopfschutz eine Hysterese durchfahren wird. Dadurch wird verhindert, dass die Brennkraftmaschine eine instabilen Zustand zwischen der Betriebsart Klopfschutz und einer anderen Betriebsart erreicht und ein dauerndes Hin- und Herschalten zwischen beiden Betriebsarten erfolgt. Der zweite Lastschwellwert kann dabei in einem ersten Ausführungsbeispiel derart ermittelt werden, dass eine bestimmte Lastschwellwertdifferenz von dem ersten Lastschwellwert subtrahiert wird. Vorzugsweise kann diese Lastschwellwertdifferenz drehzahlabhängig in dem Mikroprozessor der Brennkraftmaschine gespeichert sein. In einem zweiten Ausführungsbeispiel kann der zweite Lastschwellwert direkt aus einer Kennlinie, die drehzahlabhängig ist, analog zum ersten Schwellwert im Mikroprozessor der Brennkraftmaschine gelesen werden. Die Werte des zweiten Lastschwellwerts sind dabei in der Kennlinie derart abzulegen, dass sie kleiner als die Werte des ersten Lastschwellwerts sind.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Betriebsart Klopfschutz mit Abgasrückführung erst dann aktiviert, wenn der jeweils aktuelle Lastwert einen bestimmten, vorgebbaren dritten Lastschwellwert unterschritten hat, da die Maßnahme Abgasrückführung in niedrigen Lastbereichen hauptsächlich eingesetzt wird. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dabei dieser dritte Lastschwellwert zusätzlich abhängig von der Drehzahl, wobei der dritte Lastschwellwert aus einer
Kennlinie, die in dem Mikroprozessor der Brennkraftmaschine gespeichert ist, gelesen wird. In der Kennlinie des dritten Lastschwellwerts sind dabei Werte für den dritten Lastschwellwert einzelnen Bereichen der Drehzahl zugeordnet. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft das Verlassen der Betriebsart Klopfschütz mit Abgasrückführung. Wird ein vierter Lastschwellwert überschritten, dann nimmt der Mikroprozessor der Brennkraftmaschine eine Umschaltung in eine andere Betriebsart vor. Derartige Betriebsarten können beispielsweise bei benzindirekteinspritzenden
Brennkraftmaschinen die bereits erwähnten Betriebsarten Homogen, Homogen-Mager oder Schichtbetrieb sein sowie bei Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung der Betrieb ohne Klopfschütz. Zu beachten ist für dieses Ausführungsbeispiel, dass der vierte Lastschwellwert oberhalb des dritten Lastschwellwerts liegt, so dass bezüglich des Lastschwellwerts für die Betriebsart Klopfschütz eine Hysterese durchfahren wird. Dadurch wird verhindert, dass die Brennkraftmaschine eine instabilen Zustand zwischen der Betriebsart Klopfschutz und einer anderen Betriebsart erreicht und ein dauerndes Hin- und Herschalten zwischen beiden Betriebsarten erfolgt. Der vierte Lastschwellwert kann dabei in einem ersten Ausführungsbeispiel derart ermittelt werden, dass eine bestimmte Lastschwellwertdifferenz von dem dritten
Lastschwellwert subtrahiert wird. Vorzugsweise kann diese Lastschwellwertdifferenz drehzahlabhängig in dem Mikroprozessor der Brennkraftmaschine gespeichert sein. In einem zweiten Ausführungsbeispiel kann der vierte Lastschwellwert direkt aus einer Kennlinie, die drehzahlabhängig ist, analog zum dritten Schwellwert im Mikroprozessor der Brennkraftmaschine gelesen werden. Die Werte des vierten Lastschwellwerts sind dabei in der Kennlinie derart abzulegen, dass sie größer als die Werte des dritten Lastschwellwerts sind.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Umschaltung in die Betriebsart Klopfschutz sowohl zylinderindividuell als auch für alle Zylinder der Brennkraftmaschine gleichzeitig erfolgen. Bei einer zylinderindividuellen Umschaltung in die Betriebsart Klopfschutz wird als Verstellwinkel der Verstellwinkel des jeweiligen Zylinders herangezogen. Wird eine Umschaltung in die Betriebsart Klopfschutz für alle Zylinder gleichzeitig vorgenommen, so ist es vorteilhaft, als Verstellwinkel für den Zündwinkel den Mittelwert der zylinderindividuellen Verstellwinkel für den Zündwinkel heranzuziehen. Vorzugsweise wird hierbei der arithmetische Mittelwert der zylinderindividuellen Verstellwinkel berechnet. Diese Berechnung wird wiederum durch den Mikroprozessor der Brennkraftmaschine durchgeführt.
Durch die Bereitstellung der Betriebsart Klopfschutz kann aufgrund einer Frühverstellung des Zündwinkels ein
Momentengewinn und damit eine Wirkungsgraderhöhung erreicht werden. Die Betriebsart lässt sich für benzindirekteinspritzende Brennkraftmaschinen leicht realisieren, da lediglich der Verstellwinkel geändert werden muss und eine die Klopfneigung des Kraftstoff-/Luftgemischs reduzierende, zusätzliche Maßnahme angewendet werden muss.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem in mindestens einem Zylinder eine Verbrennung eines in den Zylinder eingebrachten Kraftstoffs in einem Kraftstoff- /Luftgemisch stattfindet, wobei bei Auftreten von Klopfen mittels einer Klopfregelung ein Basiszündwinkel in dem mindestens einen Zylinder stufenweise zu einem Verstellwinkel vom Grundzündwinkel nach Spät verstellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der Verstellwinkel einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet a) mindestens eine die Klopfneigung des Kraftstoff- /Luftgemischs reduzierende Zusatzmaßnahme ergriffen wird und b) der Verstellwinkel verringert wird, so dass der Basiszündwinkel nach Früh verstellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Klopfneigung reduzierende Zusatzmaßnahme für eine benzindirekteinspritzenden Brennkraftmaschine beinhaltet, dass in einem Arbeitszyklus zwei Kraftstoff- Einspritzvorgänge durchgeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge einzuspritzenden Kraftstoffs auf beide Einspritzvorgänge aufgeteilt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die die Klopfneigung reduzierende Zusatzmaßnahme beinhaltet, dass die Rate des zurückgeführten Abgases erhöht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten des vorgebbaren Schwellwerts die Zusatzmaßnahme Doppeleinspritzung nur oberhalb eines vorgebbaren ersten Lastschwellwerts oder die Zusatzmaßnahme Abgasrückführung nur unterhalb eines dritten Lastschwellwerts durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach Unterschreiten eines vorgebbaren zweiten Lastschwellwerts für die Zusatzmaßnahme Doppeleinspritung oder nach Überschreiten eines vorgebbaren vierten Lastschwellwerts für die Zusatzmaßnahme Abgasrückführung die Brennkraftmaschine weiter mit einer anderen Betriebsart betrieben wird, wobei der zweite Lastschwellwert kleiner ist als der erste Lastschwellwert und der vierte Lastschwellwert größer ist als der dritte Lastschwellwert.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lastschwellwert und/oder der zweite Lastschwellwert und/oder der dritte Lastschwellwert und/oder der vierte Lastschwellwert von der Drehzahl abhängig sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten des vorgebbaren Schwellwerts der Verstellwinkel schnell verkleinert wird, wobei die schnellere Verkleinerung durch eine größere Schrittweite und/oder durch eine höhere Frequenz der Verkleinerungsschritte erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstellwinkel der Mittelwert der zylinderindividuellen Spätverstellwinkel aller Zylinder herangezogen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert für alle Zylinder mit dem gleichen Wert vorgegeben wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstellwinkel der Verstellwinkel des jeweils aktuellen Zylinders herangezogen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert zylinderindividuell vorgegeben wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundzündwinkel aus einem last- und/oder drehzahlabhängigen Kennfeld gelesen wird und bei Überschreitung des vorgebbaren Schwellwerts der Grundzündwinkel aus einem sich von den übrigen Betriebsarten unterscheidenden last- und/oder drehzahlabhängigen Kennfeld gelesen wird.
14. Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, in dem eine Verbrennung des in den mindestens einen Zylinder eingebrachten Kraftstoffs in einem Kraftstoff-/Luftgemisch stattfindet, wobei ein Mikroprozessor vorgesehen ist, der eine Klopfregelung beinhaltet, so dass bei einem Auftreten von Klopfen ein Basiszündwinkel in dem mindestens einen Zylinder stufenweise zu einem Verstellwinkel vom Grundzündwinkel nach Spät verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Verstellwinkel einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet, in dem Mikroprozessor Mittel vorgesehen sind, so dass a) eine die Klopfneigung des Kraftstoff-/Luftgemischs reduzierende Zusatzmaßnahme ergreifbar ist und b) der Verstellwinkel verkleinerbar ist, so dass der Basiszündwinkel nach Früh verstellbar ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass für eine benzindirekteinspritzende Brennkraftmaschine Mittel vorgesehen sind, so dass als die Klopfneigung reduzierende Zusatzmaßnahme in einem Arbeitszyklus zwei Kraftstoff-Einspritzvorgänge durchführbar sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Mikroprozessor Mittel vorgesehen sind, so dass die Menge des einzuspritzenden Kraftstoffs auf die beiden Einspritzvorgänge aufteilbar ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, so dass als die Klopfneigung reduzierende Zusatzmaßnahme die Rate des zurückgeführten Abgases vergrößerbar ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Mikroprozessor Mittel vorgesehen sind, so dass bei Überschreitung des vorgebbaren Schwellwerts die Zusatzmaßnahme Doppeleinspritzung nur oberhalb eines vorgebbaren ersten Lastschwellwerts und/oder bei Überschreitung des vorgebbaren Schwellwerts die Zusatzmaßnahme Klopfschutz mit Abgasrückführung nur unterhalb eines vorgebbaren dritten Lastschwellwerts durchführbar ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Mikroprozessor Mittel vorgesehen sind, so dass nach Unterschreiten eines vorgebbaren zweiten Lastschwellwerts für die Zusatzmaßnahme Doppeleinspritzung und/oder nach Überschreiten eines vorgebbaren vierten Lastschwellwerts für die Zusatzmaßnahme Abgasrückführung die Brennkraftmaschine weiter mit einer anderen Betriebsart betreibbar ist, wobei der zweite Lastschwellwert kleiner ist als der erste Lastschwellwert und der vierte Lastschwellwert größer ist als der dritte Lastschwellwert.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lastschwellwert und/oder der zweite Lastschwellwert und/oder der dritte Lastschwellwert und/oder der vierte Lastschwellwert von der Drehzahl abhängig sind.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, so dass bei Überschreiten des vorgebbaren Schwellwerts der Verstellwinkel schnell verkleinerbar ist, wobei die schnellere Verkleinerung durch eine größere Schrittweite und/oder durch eine höhere Frequenz der Verkleinerungsschritte realisierbar ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass im Mikroprozessor Mittel vorgesehen sind, so dass als Verstellwinkel der Mittelwert der zylinderindividuellen Spätverstellungen aller Zylinder heranziehbar ist.
23. Vorrichtung .nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert für alle Zylinder mit dem gleichen Wert vorgebbar ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass im Mikroprozessor Mittel vorgesehen sind, dass als Verstellwinkel der Verstellwinkel des jeweils aktuellen Zylinders heranziehbar ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert zylinderindividuell vorgebbar ist.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass im Mikroprozessor Mittel vorgesehen sind, so dass der Grundzündwinkel aus einem last- und/oder drehzahlabhängignen Kennfeld lesbar ist und bei Überschreitung des vorgebbaren Schwellwerts der Grundzündwinkel aus einem sich von den übrigen Betriebsarten unterscheidenden last- oder drehzahlabhängigen Kennfeld lesbar ist.
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